助溶剂对溶质溶剂间氢键动态的影响——超快速2D红外光谱研究

摘要:助溶剂显著影响水性环境中生物分子的溶质溶剂交互作用,而且对许多蛋白质和酶的稳定性和活性有着重要影响。早先的实验研究报道了水分子暴露在助溶剂中时的氢键动态,但是,若从溶质的视角去理解这一影响将会提供更多对蛋白稳定性的洞悉。因为羰基群在生物分子中非常丰富,当前的研究致力于利用2D红外光谱和分子动态模拟技术去比较溶质的羰基群在有或无DMSO作为助溶剂的两种水溶液中氢键动力学的不同。红外用来从数量上估计羰基在纯水或DMSO:水=1:1(v、v)的溶液中氢键动态交换的时间尺度。红外结果发现了化学交换进程的波普特征:助溶剂的加入会将氢键交换比率降低五倍。测得纯水和溶液的交换比率分别为7.50 × 1011 and 1.48 × 1011s−1。分子动力学模拟预测了纯水比加DMSO的溶液羰基氢键寿命会显著缩短并且提供了交换机制的分子洞悉。助溶剂和溶质分子的结合伴随着大量水分子氢键的断裂。有无DMSO所造成的氢键寿命和交换比率的巨大不同表明了助溶剂参与条件下快速氢键动态的显著改变,这一改变或许在生物分子的稳定性及活性中起着重要作用。

1.介绍:

最近几年,助溶剂对生物分子在水性环境中的影响受到广泛关注。在蛋白质水溶液中加入助溶剂会改变生物分子的性能,比如蛋白质稳定性、溶解性、自组装等。助溶剂会扰乱蛋白水溶液中蛋白的构象平衡而选择性地阻止或促进蛋白质的变性。理论研究被用于去理解助溶剂对蛋白质稳定性的影响。溶质与助溶剂的交互作用通常被视为一个交换过程,在这一过程中助溶剂的结合伴随着大部分水分子氢键的断裂。助溶剂对许多酶的活性也有影响。助溶剂可充当冷冻剂,可用于在水溶液中保存干细胞、器官、精子。理解这类行为的基本机制有助于设计想要的蛋白质和酶的性质。由于DMSO在室温下可与水混溶,因此它是一种被广泛应用在水溶液中的助溶剂。DMSO是一种高极性的分子,可以接受氢键,可以扰乱水分子的氢键缔合结构并将自己与蛋白质、核酸、碳水化合物以及离子等物质联系起来。作为一种助溶剂,DMSO在化学、生物学、药物学等领域有着重要意义。DMSO被普遍地用作助溶剂去增加小的有机分子的溶解性,于是便被用作沿着细胞膜分布的药物载体。蛋白质稳定性和酶的活性依赖于溶液中DMSO的浓度而改变。许多诸如振动光谱、中子散射、介电谱等实验方法被用于研究DMSO/水溶液的结构性能。最近利用x射线吸收、发射和散射实验对这一体系中的氢键影响做了研究。理论计算研究也被用于去阐明这一混合物的结构。尽管许多科研都聚焦在不同DMSO浓度下DMSO水溶液中结构改变以及交互作用上,关于DMSO作为助溶剂对水动态的影响至今仍未达成一致。NMR和介电弛豫实验预测了DMSO加入后水旋转运动的显著减慢,而中子散射和拉曼诱导科尔效应光谱实验报道了较之纯水更快的旋转时间。不久前的一个研究中,Fayer和他的同事们利用极化-选择泵浦-探测实验和二维红外光谱研究了在DMSO水溶液中加重水(HOD)稀释时的超速动态变化。他们的实验结果描述了水在多个时间尺度上的结构动态,从局部氢键的超快速波动到完整结构不规则分布的较慢动态。

尽管在DMSO溶液中水的氢键动态已被研究,但绝大部分研究都聚焦于从溶剂的视角理解这一动态。DMSO作为一种溶质分子的助溶剂在水中的影响至今未被探索。从溶质的视角去理解这一动态改变将提供对加入助溶剂后蛋白质稳定性变化的一个更加深刻的洞悉。在本篇文献中,我们报告了以乙酸乙酯中羰基为例的羰基-水氢键动态在有或无DMSO加入情况下的不同。在红外和核磁相关分析的基础上,最近发现,乙酸乙酯中酯的羰基在DMSO 水溶液中存在于两个不同的环境,而且两者交换的时间尺度远远快于NMR的时间分辨率。

尽管在DMSO溶液中水的氢键动态已被研究,但绝大部分研究都聚焦于从溶剂的视角理解这一动态。DMSO作为一种溶质分子的助溶剂在水中的影响至今未被探索。从溶质的视角去理解这一动态改变将提供对加入助溶剂后蛋白质稳定性变化的一个更加深刻的洞悉。在本篇文献中,我们报告了以乙酸乙酯中羰基为例的羰基-水氢键动态在有或无DMSO加入情况下的不同。在红外和核磁相关分析的基础上,最近发现,乙酸乙酯中酯的羰基在DMSO 水溶液中存在于两个不同的环境,而且两者交换的时间尺度远远快于NMR的时间分辨率。

2DIR被证实是一种非常强大的可用于研究溶液相中小分子和蛋白质的快速结构波动和交换动态的实验技术。在这一研究中,我们利用2DIR去观察在两种不同体系中(纯水和DMSO水1:1体积比混合)乙酸乙酯羰基的伸缩振动模式超快动态变化。红外结果表明甚至在没有DMSO加入的条件下酯的羰基存在有两种不同的环境并且在约1.3ps的时间尺度上经历着化学交换。这一时间尺度从数量上与所报道的水中氢键形成和断裂的时间尺度相匹配。诸如乙酸乙酯、乙酸甲酯等小分子酯在纯溶剂中的超快速化学交换过程也曾被报道。加入DMSO后,我们的红外结果证实了早先对于化学交换的预测,但是测得的交换时间尺度为约6.8ps,较之纯水要慢很多。这一研究也报告了在纯水或1:1溶液中乙酸乙